水泥土连拱抗滑墙加固软基边坡的应用研究

仲 曼,蒋红俊,梁 音,李琴琴

(1.镇江市勘察测绘研究院,江苏镇江 212000; 2.河海大学岩土工程研究所,江苏南京 210098)

水泥土连拱抗滑墙加固软基边坡的应用研究

仲 曼1∗,蒋红俊1,梁 音2,李琴琴2

(1.镇江市勘察测绘研究院,江苏镇江 212000; 2.河海大学岩土工程研究所,江苏南京 210098)

软基边坡处理中常采用水泥土搅拌桩复合地基。但受水平推力作用时桩体存在弯折效应且施工时易出现劣质层。本文采用水泥土连拱抗滑墙加固软基边坡,采用数值分析的方法建立三维模型,分析加固前后边坡的水平侧移、沉降、应力、边坡稳定性的变化,并深入的分析了连拱抗滑墙抗滑机理。研究表明连拱抗滑墙加固边坡技术具有性能可靠、施工方便的优势,在软基边坡加固领域具有广阔的应用前景。

水泥土连拱抗滑墙;软基边坡;数值模拟;抗滑机理

1 引 言

我国地域辽阔,大部分地区存在软土地基。在此类地基上进行土木工程活动,必然涉及软弱土地基加固处理问题。如果采用水泥土搅拌桩作为支挡结构[1],抗滑桩桩体相当于底部嵌入地基的悬臂结构,桩顶在水平荷载作用下可产生较大位移,从而使桩体承受很大弯矩,发生弯折效应后其水平承载力就会丧失[2],或者由于软土强度低,极限荷载作用下可出现土体绕桩流动[3]。而且,施工时容易出现劣质夹层,因而加固效果和可靠性不好。水泥土搅拌桩连拱抗滑墙[4]是近年刚提出的一种软土边坡加固结构形式。该结构在水平方向上设置平行抗滑墙,并通过依拱形排列的水泥土搅拌桩组成的拱壁将平行抗滑墙连成一体,通过合理的几何布置和传力机制发挥抵抗边坡水平位移的作用。

本文以南水北调金湖站河堤边坡加固为例,研究该结构的加固效果及其机理。坝顶设计高程15.0 m,场地内标高15.0 m～6.5 m为填土层。标高5.0 m～6.5 m为杂填土,工程性质一般;标高2.0 m～5.0 m为淤泥质粉质粘土,含水率大,强度低,压缩性高;标高2.0 m及以下为粘性土,工程性质较好。结构断面如图1所示[5],淤泥质粉质粘土为软弱土层,压缩性高、强度低,边坡整体稳定安全系数为0.7,按照规范规定[6],二级边坡允许抗滑安全系数为1.25,不能满足要求。

图1 河堤断面结构图(单位/cm)

2 加固方案比选与分析

2.1 方案选择

加固区域位于第一个坡脚下沿水平1 500 cm的长度范围内,加固方案如下:方案①:以120 cm和160 cm间距布置梅花形水泥搅拌桩。桩体须进入粘土层中2 m;方案②:搅拌桩桩间搭接20 cm形成桩墙,墙厚70 cm,桩体进入粘土层中2 m。其单体构造主要包括:拱形墙和抗滑长墙。拱形墙构造采用180°的圆弧形,拱形墙半跨度为300 cm,抗滑墙长度为1 500 cm。水泥土连拱构造如图2所示:

图2 水泥土搅拌桩连拱抗滑墙平面图

2.2 模型数值计算

数值计算借助于有限差分程序FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua),在软件中,岩土体变形的变形参数采用的是剪切模量(G)和体积模量(K),各土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

图3 方案①水泥土搅拌桩复合地基数值模型网格划分

2.3 计算结果分析

不加固、方案①和②破坏时的安全系数分别为0.7、1.25、2.5;不加固、方案①和②最大竖向位移分别为0.38 m、0.2 m、0.07 m;不加固、方案①和②的最大侧向位移分别为0.4 m、0.169 m、0.04 m;方案②边坡塑性区贯通时破坏云图如图4所示,边坡竖向位移和侧向位移分布云图如图5、图6所示。

图4 方案②安全系数和破坏时云图

图5 方案②拱墙加固边坡横向位移分布云图

图6 方案②拱墙加固边坡竖向位移分布云图

方案①情况下,软土区土的Sxz剪应力较大,最大为10 kPa,硬土区土的Sxz为30 kPa。方案②情况下,软土区土的Sxz降低较快,最大为1 kPa,硬土区最大值为50.8 kPa。软硬土层交界面处有明显的应力集中。方案②相比方案①,软土区的最大Sxz从10 kPa减小到1 kPa,硬土区的最大Sxz从30 kPa增大到50.8 kPa,连拱抗滑墙把软土区受的水平应力通过墙底摩擦力向下传入硬土层中,传递效果显著,如图7所示。

图7 水泥土搅拌桩连拱抗滑墙加固边坡土体Sxz分布云图(单位/Pa)

方案①和②两种加固情况下软基边坡在不同深度特定位置处土体的剪应力Sxz变化规律如图8、图9所示。进一步看出,土的Sxz沿着边坡深度的增加而逐渐增大,在硬土层达到最大;土的Sxz随着离加固体端部的水平距离的增大而逐渐消减。这点说明水泥土搅拌桩连拱抗滑墙把软土区受的水平应力通过侧壁摩擦力向外侧土体传递,效果显著。

图8 方案①边坡不同水平剖面土体Sxz的变化规律图

图9 方案②边坡不同水平剖面土体Sxz的变化规律图

方案①和②的桩(桩墙)单元软硬土层交界面处的弯曲应力分别0.37 MPa、1.25 kPa。可见方案①的桩单元要承受很大的弯曲应力,方案②由于拱结构的存在,将垂直于拱截面的水土压力转化为沿拱轴截面方向的轴压力,可充分利用水泥土抗压强度高的特性,有效避免桩身发生弯折破坏。图10桩体弯曲应随着桩长变化图。

图10 水泥土搅拌桩连拱抗滑墙搅拌桩弯曲应随着桩长变化图

综上可知,水泥土连拱抗滑墙结构可有效加固软基边坡,明显减小侧向位移以及控制沉降,显著提高边坡的整体稳定性。

3 搅拌桩连拱抗滑墙的抗滑机制

梅花形布置的搅拌桩,桩体进入硬土层中,桩体发挥水平向抗剪能力从而承担整体抗滑作用,但因水泥土桩抗弯能力差容易产生弯折破坏从而削弱其水平抗滑能力。此外,梅花型分散布置搅拌桩搅拌工艺决定其容易形成劣质夹层从而降低水平抗剪能力;而连墙型搅拌桩墙质量容易保证,传递荷载可靠,这是单桩无法实现的。连拱抗滑墙方案加固边坡软基,能够充分发挥结构抗滑能力;同时该结构型式水平截面抗弯能力大,基本不存在弯折问题。

湖泊面积大，岸线长，以高邮湖为例，760.67 km2的水域面积，仅仅依靠湖泊管理人员的眼观脚量，不仅成本高、难度大，而且也很难准确掌握湖泊流域的综合情况。

水泥土拱通过拱作用将堤体一部分拱外水平推力(土压力)传递到水泥土长墙,另一部分水平推力直接传递到拱内土体中(拱内土体主要为软土);水泥土长墙通过侧壁接触抗剪能力将一部分水平推力传递到墙内土体;长墙内软弱土层最终将其承受的水平推力传递到下部硬土层和长墙外侧土体;水泥土长墙插入硬土层部分主要通过侧壁和墙底将一部分水平推力传递至下部硬土层。

由于软土层强度较低,特别是在其快剪指标中摩擦分量很小,使得边坡最危险圆弧滑面圆心角较大,表现为深大滑动面,滑坡体方量大,破坏性强;对于有限深软土地基的边坡,例如有限厚度软土层的下卧层为较硬土层的地基,最危险滑面一般为相切于硬土层的复合滑动面,宏观表现为宽大滑动破坏。对于有限深软基的边坡工程加固,规范要求搅拌桩加固深度穿越最危险滑面进入硬土层2 m以上[7]。当搅拌桩承受双侧不平衡土压力作用时,软硬土层交界面搅拌桩体抗剪而发挥抗滑能力。

为研究桩体截面的受力情况,建立水泥土搅拌桩加固边坡简化模型进行计算。搅拌桩有效桩长依据工程抗滑要求而定。此模型满足两个假设:①搅拌桩桩体呈悬臂变形特征;②水泥土搅拌桩桩体受土压力呈三角水平力分布模式。在此假设基础上,桩体受的最大弯矩是最小的,属于最有利情况。设三角形分布时搅拌桩受得的最大土压力为P,搅拌桩体的有效桩长为H,如图11所示,水泥土搅拌桩复合地基平面布置如图12所示,水泥土连拱抗滑墙平面布置如图13所示。

图11 水泥土搅拌桩加固边坡简化模型

图12 水泥土搅拌桩复合地基 平面布置图

图13 水泥土搅拌桩连拱抗滑墙平面布置图

(1)水泥土搅拌桩复合地基单根桩抗滑力与最大剪应力的关系:

T=3τmaxA/4=3πd2τmax/16

当最大剪力Q等于抗滑力T时,桩体处于极限状态:P=3πd2τmax/8H

σt,max=M/W=2Hπd2τmax/(πd3)=2Hπmax/d

得:τmax=σt,maxd/2H

水泥土的抗拉强度σt,max与无侧限抗压强度qu的关系:当qu＜1.5 MPa时,σt,max约等于0.2 MPa[8]。一般来说,水泥土搅拌桩由于受施工工艺影响,它的无侧限抗压强度qu比水泥土小些,约为1.0 MPa,那么取σt,max=0.2 MPa,H=5～15 m,d=650～1 000 mm,得:(τ/qu)max=0.02。

水泥土等效抗剪能力约为抗压强度的百分之二,远远没有发挥水泥土的抗剪性能。规范规定的水泥土τ与无侧限抗压强qu须介于1/2～1/5之间[8]。

(2)水泥土搅拌桩连拱抗滑墙构造与最大剪应力的关系:

T≈τmaxA/2=(2Ld+πRd)τmax/2

当最大剪力Q等于抗滑力T时,桩体处于极限状态时:

式中σt,max、qu、H、d取值如上,L=11 m～15 m, R=2 m～5 m,得:(τ/qu)max=0.416。

水泥土等效抗剪能力约为抗压强度的百分之四十几,充分发挥了水泥土的抗剪性能[8]。

式中:T—截面抗滑力,W—抗弯截面模量,M—截面弯矩,Q—截面剪力,P—三角形分布时搅拌桩受的最大土压力,τ—搅拌桩的剪应力,qu—搅拌桩的无侧限抗压强度,d—搅拌桩的直径,H—搅拌桩的高度,τmax—搅拌桩的最大剪应力,σt,max—搅拌桩的最大拉应力,L—抗滑墙长度,R—拱形墙高跨比,D—搅拌桩高跨比,t—搅拌桩搭接长度,C—搅拌桩的净间距,YC—拱形墙跨度中心到水泥土连拱抗滑墙中心的距离。

综上所述,当采用插入硬土层的水泥土桩抗滑时,桩体发挥水平向抗剪能力从而承担整体抗滑作用。当桩体处于极限状态时,水泥土复合地基的桩体极容易产生剪切破坏从而影响加固效果。此外,水泥土搅拌桩复合地基单桩分散布置容易形成劣质夹层从而降低水平抗剪能力;而水泥土连拱抗滑墙质量容易保证,传递荷载可靠,这是单桩无法实现的。经上述验证,水泥土搅拌复合地基不能充分发挥水泥土的抗剪性能而水泥土搅拌桩连拱抗滑墙构造能够充分发挥水泥土抗剪性能。

4 结 论

对于软基边坡工程的加固处理,本文采用一种新型的加固结构——水泥土搅拌桩连拱抗滑墙。通过对传统水泥土搅拌桩复合地基和连拱抗滑墙两种加固结构受力分析及三维有限元数值分析,深入的研究和探讨了水泥土搅拌桩连拱抗滑墙加固结构受力特征、土压力荷载传递规律、变形特点。

研究表明,在同等条件下,水泥土搅拌桩连拱抗滑墙加固边坡优于水泥土搅拌桩复合地基,由于桩体连续,单个桩体随机分布的劣质层不会显著削弱抗滑墙整体抗滑能力,受施工过程成桩质量影响较小;该结构型式水平截面抗弯能力大,基本不存在弯折问题,抗弯刚度更大、受力更合理,能够有效的发挥水泥土抗压和抗剪性能,避免出现桩身拉应力和弯折破坏;控制位移变形更加显著,用于边坡加固整体稳定性更好。

水泥土连拱抗滑墙受力机理为:水泥土连拱抗滑墙构造通过拱形作用将坡体一大部分拱外水平推力传递到水泥土抗滑墙,另一小部分水平推力直接传递到拱内土体中;水泥土连拱抗滑墙构造将其承受的水平推力主要通过侧壁和墙底传递到下部硬土层和外侧土体中。

[1] 郝红彬,姜志全,李青松.某桥头引道滑坡原因分析及处理方案[J].铁道标准设计,2003.10:100～103.

[2] Shoude Li,Huier Xu,Jian Chen,Arched soil-cement walls for soft ground reinforcement of dike slope[J].Advanced Materials Research,2011(374):2061～2065.

[3] Poulos HG,Design of slope stabilizing piles[A].Proceedings of the International Symposium on Slope Stability Engineering,Matsuyama,Japan,Vol.1,83～100.

[4] 李守德,张福海.用于边坡加固的水泥土长墙连拱构造[P].中国专利:CN102444133A,2012-05-09.

[5] 梁音.水泥土抗滑墙在边坡加固中的应用研究[D].南京:河海大学,2013.

[6] GB50330-2002.建筑边坡工程技术规范[S].

[7] JGJ 79-2012.建筑地基处理技术规范[S].

[8] 林靖,李超,左宇宁.基坑工程手册第二版:水泥土重力式围护墙的设计与施工[M].西安:中国建筑工业出版社.

[9] 李琴琴.水泥土搅拌桩连拱抗滑墙在软基边坡加固中的应用研究[D].南京:河海大学,2012.

Research on the Application of Cement-soil Arched Walls in the Anti-slide Reinforcement of Soft Ground Embankment

Zhong Man1,Jiang Hongjun1,Liang Yin2,Li Qinqin2
(1.Zhenjiang Urban Investigation and Surveying Institute,Zhenjiang 212000,China; 2.Research Institute of Geotechnical Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In the soft subsoil of slope,soil cement piles will bear lateral forces from slope sliding potential,which will cause pile crack because of poor tension strength of soil cement.A new structure of cement-soil mixing pile is raised to improve the anti-slide reinforcement of soft ground embankment.The numerical simulation method is employed to analyze the structure by the dimensional models.Referring to the analysis of the results,displacement,settlement,stress, slope stability conditions after reinforcement.The cement-soil arched walls could make well performance and convenient construction.There is a great application prospect in fields of soft ground slope reinforcement.

cement-soil arched walls;soft-based embankment;numerical simulation;anti-slide mechanism

2014—04—02

仲曼(1986—),男,助理工程师,主要从事岩土工程勘察及岩土设计等工作。